基于ANSYS Workbench发动机连杆有限元分析

颜腾峰，程仙国

(宁波工程学院，浙江宁波 315336)

基于ANSYS Workbench发动机连杆有限元分析

颜腾峰，程仙国

(宁波工程学院，浙江宁波 315336)

利用ANSYS Workbench对捷达汽车发动机连杆在工作过程中受的拉力和压力进行有限元分析计算，得到该发动机连杆在受拉和受压时最大主应力、最大切应力以及最危险位置，为汽车连杆设计与优化、强度校核等提供理论依据。

连杆；有限元分析；应力

0 引言

连杆是发动机的重要零件之一，连接着活塞和曲轴并把作用在活塞上的力传给曲轴，以便将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆在高压下作变速运动，故它在工作中的受力情况很复杂，如气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及阻力[1-3]。在设计发动机连杆时，要保证连杆具有足够的刚度和强度。文中利用ANSYS Workbench对捷达汽车发动机连杆在工作过程中的受力情况进行有限元仿真计算，分别得到连杆在工作过程中受拉伸和压缩时的最大主应力和最大切应力以及最危险位置，为汽车连杆的设计与结构优化、强度校核提供理论根据。

1 连杆工作时的受力分析

连杆工作时，摩擦力及阻力主要取决于运动零件的制造质量与润滑情况，其数值较小且变化规律很难掌握，故对连杆进行受力分析时，摩擦力及阻力忽略不计[4-5]。连杆失效主要是拉、压疲劳断裂所致，所以连杆的受力分析主要考虑2种周期性变化的力：一个是经活塞顶传来的燃气爆发力Fp，该力对连杆起压缩作用，如图1(a)所示；另一个是活塞连杆组高速运转时产生的往复惯性力Fj，该力对连杆起拉伸作用，如图1(b)所示。

连杆受拉时，小端承受的拉力主要是活塞组惯性力，即：

Fj=m(1+λ)rω2

式中:m=0.468 kg为活塞组中不平衡回转质量;r=40.23 mm为曲柄半径;λ=0.27为曲柄连杆比;ω为曲柄旋转角速度，捷达汽车发动机的额定转速n=5 800 r/min，则ω=(2×π×5 800)/60=607.07 rad/s。连杆小端承受的拉力Fj=8 812.05 N。

连杆受压时，小端承受的压力为燃气爆发力减去活塞组惯性力：

式中：D=80.985 mm为气缸直径；pz为缸内绝对压力，在发动机的4个冲程中，(pz)max=4.5 MPa；p′=1.0132 5×105Pa，为标准大气压；Fj为活塞组的惯性力。连杆小端承受的压力Fp=-13 836.24 N。

2 有限元模型分析与求解

文中以捷达汽车四缸发动机的连杆为例，利用CATIA软件对该连杆进行建模，如图2所示，并将其导入ANSYS Workbench 14.5中。连杆的材质为C70S6，其材料的力学性能见表1，弹性模量E=200 GPa，μ=0.3，采用20节点六面体单元(Solid186体单元)对该模型进行有限元分析，共划分了163 642个节点、46 818个单元。汽车连杆的有限元网格模型如图3所示。

连杆工作时，其大端与轴承配合，小端90°范围内受到压力或拉力的作用，故在有限元分析过程中，选取大端内表面为夹紧约束，在小端的内表面上施加相应的载荷。根据连杆工作的受力特点，将其等效为Workbench中的Bearing load，连杆受拉时其主应力和切应力分别如图4和图5所示，最大主应力为231.22 MPa，最大切应力为270.77 Pa，均小于材料的许用应力，满足安全系数要求。

表1 C70S6材料力学性能

连杆受压时，其主应力和切应力分别如图6和图7所示，最大主应力为106.36 MPa，最大切应力为324.28 MPa，均小于材料的许用应力，满足安全系数要求。

3 结束语

利用ANSYS Workbench软件对捷达汽车连杆工作时的应力进行分析，得出了连杆在拉伸和压缩过程中的最大主应力和最大切应力及危险位置，为汽车连杆的强度校核和结构优化提供依据。

【1】陈家瑞.汽车构造(上)[M].3版.北京：机械工业出版社,2013.

【2】房志军.LJ377MV汽油机曲柄连杆机构的设计与有限元分析[D].武汉:华中科技大学,2005.

【3】刘赛,吴飞科,严剑刚,等.发动机连杆的快速优化分析[J].上海第二工业大学学报,2015,32(4):312-316.

【4】胡小青.基于ANSYS Workbench的汽车发动机连杆力学性能分析[J].制造业自动化,2014(4):107-109.

【5】王小飞,向国权,李静,等.基于ANSYS的汽车发动机连杆有限元分析[J].汽车零部件,2009(4):64-65.

Finite Element Analysis of the Automobile Engine Connecting Rod Based on ANSYS Workbench

YAN Tengfeng, CHENG Xianguo
(Ningbo University of Technology, Ningbo Zhejiang 315336,China)

The tension and pressure stress were analyzed and calculated for the Jetta automobile engine connecting rod in working process, getting the largest main stress, the maximum shear stress and the most dangerous position in tension and compression conditions respectively. It provides theoretical basis for design, optimization and strength check of the automobile connecting rod.

Connect nod; Finite element analysis; Stress

2016-03-17

宁波工程学院王伟明助创基金项目(2014017)

颜腾峰，男，本科生，专业方向为车辆工程。E-mail：569033949@qq.com。

U464

A

1674-1986(2016)06-058-03